Через порт com2 к компьютеру подключают

Порты COM и USB

Порты – устройства, через которые компьютер может обмениваться информацией с внешним оборудованием. Строго говоря, сами порты – это микросхемы, находящиеся внутри компьютера, а на заднюю стенку системного блока выведены подключенные к ним разъемы (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Разъемы портов.

Сначала в компьютерах появился последовательный (serial) порт. Иначе он называется COM-порт или RS-232. К COM-порту подключают кабель, состоящий из нескольких проводов, оканчивающийся 9-штырьковым разъемом. Информация через этот порт передается в виде последовательности электрических импульсов. По одному проводу (Tx) компьютер передает информацию внешнему устройству, а по другому (Rx) – принимает.

Стандарт RS-232 остается неизменным уже более десяти лет. На материнской плате компьютера предусмотрено два последовательных порта – COM1 и COM2. На задней стенке любого системного блока присутствует хотя бы один разъем последовательного порта (COM1). Второй порт (COM2) в современных компьютерах обычно просто не выведен на заднюю стенку, хотя на материнской плате соединительная колодка для него сделана.

Подключать устройства к последовательному порту рекомендуется, пока компьютер выключен. На практике это требование обычно игнорируют, что иногда приводит к выходу из строя или подключаемого устройства, или самого порта.

Параметры COM-портов можно настроить следующим образом.

1. Запустите Диспетчер устройств. Для этого нажмите кнопку Пуск и выберите пункт Панель управления. Дважды щелкните кнопкой мыши на значке Система. На вкладке Оборудование нажмите кнопку Диспетчер устройств.

2. Дважды щелкните на пункте Порты COM и LPT.

3. Выберите порт, параметры которого нужно изменить, и выполните команду Свойства. Откроется окно Свойства: Последовательный порт (СОМ2) (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Параметры порта.

На вкладке Параметры порта окна Свойства: Последовательный порт (СОМ2) доступно несколько параметров. Из них нам может понадобиться первый параметр Скорость (бит/с), определяющий, с какой скоростью порт способен передавать и принимать данные. По умолчанию задано значение 9600 бит/с. Предполагается, что с такой скоростью способно работать любое устройство, подключаемое к порту. Однако многие современные устройства, в том числе модемы и data-кабели для сотовых телефонов, могут обмениваться данными с компьютером с гораздо большей скоростью. Поэтому, если при низкой скорости передачи подключенное устройство работает устойчиво, можно попробовать увеличить значение до 57 600 или 115 200 бит/с – данные будут передаваться гораздо быстрее.

4. Выберите из списка нужное значение скорости порта и нажмите кнопку OK.

Остальные настройки последовательных портов обычно изменять не нужно. Вернуть все настройки порта к первоначальным значениям можно, нажав кнопку Восстановить умолчания.

Порты шины USB (universal serial bus – универсальная последовательная шина) обязательно присутствуют в любом современном компьютере (см. рис. 1.2). Этот стандарт подключения внешних устройств постепенно пришел на смену последовательному порту. Данные здесь, как и через COM-порт, передаются по двум проводам. По третьему проводу на подключаемые устройства подается напряжение питания +5 В.

Максимальная скорость обмена данными через порт USB почти в 1000 раз выше, чем через последовательный порт. Правда, при подключении телефона, который является большим «тугодумом», это несущественно. Важнее то, что стандартом гарантирована возможность «горячего», во время работы компьютера, подключения устройств к портам USB. Кроме того, USB-порты не требуют настройки. В Диспетчере устройств отображаются сведения о токе, который потребляет каждое устройство, подключенное к USB-портам.

Существует три типа разъемов USB, различающиеся только формой и размером (рис. 1.5).

«Обычный», плоский разъем типа A служит для подключения кабеля к компьютеру. Таким же разъемом оснащены миниатюрные адаптеры, которые вставляются непосредственно в порт USB на системном блоке. Особенно удобно подключать такой адаптер, когда дополнительные порты выведены на переднюю панель системного блока. Если на передней панели разъемов USB нет, а подбираться к задней стенке компьютера каждый раз затруднительно, поможет кабель-удлинитель с разъемами типа А на обоих концах.

Рис. 1.5. Разъемы USB.

Разъем типа B используют для соединения кабеля с периферийными устройствами: принтерами и модемами.

Для подключения к портативным устройствам (телефонам, камерам) применяют разъем мини-USB или мини-B.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Наряду с параллельным портом COM-порт, или последовательный порт является одним из традиционных портов ввода-вывода компьютера, использовавшимся еще в первых ПК. Хотя в современных компьютерах COM-порт имеет ограниченное применение, тем не менее, информация о нем, возможно, будет полезной многим пользователям.

Назначение последовательного порта – история и современное использование

Последовательный порт, как и параллельный, появился задолго до появления персональных компьютеров архитектуры IBM PC. В первых персоналках COM-порт использовался для подсоединения периферийных устройств. Однако сфера его применения несколько отличалась от сферы применения параллельного порта. Если параллельный порт использовался в основном для подключения принтеров, то COM-порт (кстати, приставка COM – это всего лишь сокращение от слова communication) обычно применялся для работы с телекоммуникационными устройствами, такими, как модемы. Тем не менее, к порту можно подключить, например, мышь, а также другие периферийные устройства.

COM-порт, основные сферы применения:

принтеров и плоттеров

мыши

Прямое соединение двух компьютеров

В настоящее время сфера применения СОМ-порта значительно сократилась благодаря внедрению более быстрого и компактного, и, кстати, тоже последовательного, интерфейса USB. Почти вышли из употребления внешние модемы, рассчитанные на подключение к порту, а также «COM-овские» мыши. Да и редко кто теперь соединяет два компьютера при помощи нуль-модемного кабеля.

Тем не менее, в ряде специализированных устройств последовательный порт до сих используется. Можно найти его и на многих материнских платах. Дело в том, что по сравнению с USB COM-порт имеет одно важное преимущество – согласно стандарту последовательной передачи данных RS-232, он может работать с устройствами на расстоянии в несколько десятков метров, в то время как радиус действия кабеля USB, как правило, ограничен 5 метрами.

Принцип работы последовательного порта и его отличие от параллельного

В отличие от параллельного (LPT) порта, последовательный порт передает данные побитно по одной-единственной линии, а не по нескольким одновременно. Последовательности битов группируются в серии данных, начинающиеся стартовым битом и кончающиеся стоповым битом, а также битами контроля четности, использующимися для контроля ошибок. Отсюда происходит и еще одно английское название, которое имеет последовательный порт – Serial Port.

Последовательный порт имеет две линии, по которым передаются собственно данные – это линии для передачи данных от терминала (ПК) к коммуникационному устройству и обратно. Кроме того, существует еще несколько управляющих линий. Обслуживает Serial port специальная микросхема UART, которая способна поддерживать относительно высокую скорость передачи данных, достигающую 115 000 бод (байт/с). Правда, стоит отметить, что реальная скорость обмена информацией зависит от обоих коммуникационных устройств. Кроме того, в функции контроллера UART входит преобразование параллельного кода в последовательный и обратно.

Порт использует электрические сигналы сравнительного высокого напряжения – до +15 B и -15 В. Уровень логического нуля последовательного порта составляет +12 В, а логической единицы – -12 В. Такой большой перепад напряжений позволяет гарантировать высокую степень помехоустойчивости передаваемых данных. С другой стороны, используемые в Serial port высокие напряжения требуют сложных схемотехнических решений. Это обстоятельство также поспособствовало снижению популярности порта.

Последовательный интерфейс RS-232

Работа Serial port на ПК базируется на стандарте передачи данных для последовательных устройств RS-232. Этот стандарт описывает процесс обмена данными между телекоммуникационным устройством, например, модемом и компьютерным терминалом. Стандарт RS-232 определяет электрические характеристики сигналов, их назначение, длительность, а также размеры коннекторов и схему выводов для них. При этом RS-232 описывает лишь физический уровень процесса передачи данных и не касается используемых при этом транспортных протоколов, которые могут меняться в зависимости от используемого коммуникационного оборудования и программного обеспечения.

Стандарт RS-232 был создан в 1969 г, а его последняя версия, TIA 232, вышла в 1997 г. В настоящее время RS-232 считается устаревшим, однако большинство операционных систем до сих пор его поддерживает.

В современных компьютерах разъем Serial port представляет собой 9-штырьковый разъем типа «вилка» DB-9, хотя стандарт RS-232 описывает также разъем с 25–ю контактами ­– DB-25, который часто применялся на старых компьютерах. Разъем DB-9 обычно расположен на системной плате ПК, хотя в старых компьютерах он мог находиться на специальной мультикарте, вставляемой в слот расширения.

9- штырьковое гнездо DB-9 на материнской плате

Разъем DB-9 на кабеле подключаемого к порту устройства

В отличие от параллельного порта, разъемы с обеих сторон двустороннего последовательного кабеля идентичны. Помимо линий для передачи самих данных, порт содержит несколько служебных линий, по которым между терминалом (компьютером) и телекоммуникационным устройством (модемом) может передаваться управляющая информация. Хотя теоретически для работы последовательного порта достаточно лишь трех каналов – прием данных, передача данных и земля, практика показала, что наличие служебных линий делает связь более эффективной, надежной и, как следствие, более быстрой.

Назначение линий разъема Serial port DB-9 согласно RS-232 и их соответствие контактам разъема DB-25:

Контакт DB-9	Английское название	Русское название	Контакт DB-25
1	Data Carrier Detect	Несущая обнаружена	8
2	Transmit Data	Передаваемые данные	2
3	Receive Data	Принимаемые данные	3
4	Data Terminal Ready	Готовность терминала	20
5	Ground	Земля	7
6	Data Set Ready	Готовность передающего устройства	6
7	Request To Send	Запрос на отправку данных	4
8	Clear To Send	Передача данных разрешена	5
9	Ring Indicator	Индикатор звонка	22

Конфигурирование и прерывания

Поскольку в компьютере может быть несколько последовательных портов (до 4), то в системе для них выделяется два аппаратных прерывания — IRQ 3 (COM 2 и 4) и IRQ 4 (COM 1 и 3) и несколько прерываний BIOS. Многие коммуникационные программы, а также встроенные модемы используют для своей работы прерывания и адресное пространство портов COM. При этом обычно применяются не реальные порты, а так называемые виртуальные порты, которые эмулируются самой операционной системой.

Как и в случае многих других компонентов материнской платы, параметры работы портов COM, в частности, значения прерываний BIOS, соответствующих аппаратным прерываниям, можно настроить через интерфейс BIOS Setup. Для этого используются такие опции BIOS, как COM Port, Serial Port, Onboard Serial Port, Serial Port Address, и т.п.

Заключение

Последовательный порт ПК в настоящее время не является широко используемым средством для ввода-вывода информации. Тем не менее, поскольку существует большое количество оборудования, прежде всего, телекоммуникационного назначения, созданного для работы с последовательным портом, а также благодаря некоторым достоинствам протокола последовательной передачи данных RS-232, последовательный интерфейс пока еще не следует списывать со счетов, как абсолютно устаревший рудимент архитектуры персонального компьютера.

Структура канала USB – плата Arduino UNO

Типовая схема подключения контроллера Arduino UNO к компьютеру через USB порт показана на Рисунок 1. Со стороны компьютера канал связи виден как стандартный СОМ порт. Но, на самом деле, это виртуальный СОМ порт с которым компьютер обменивается пакетами данных на частоте 12 МГц, а специализированный контроллер, расположенный на плате Arduino UNO, преобразует пакеты USB данных в последовательность бит в формате асинхронного интерфейса UART с уровнями 0/5В, которые и используются основным контроллером Arduino UNO (микросхема ATmega328P) для загрузки программ и обмена данными с компьютером в процессе выполнения программ.

Рисунок 1. Типовое подключение контроллера Arduino UNO к компьютеру через USB порт.

Временная диаграмма последовательной передачи данных по правилам UART устройства с уровнем сигналов 0/5В показана на Рисунок 2. Данные передаются байтами. Помимо данных последовательность содержит стартовый и стоповый биты и может включать другие служебные биты, например, бит контроля четности, применение которого задается в настройках СОМ порта, там же устанавливается и одна из стандартных скоростей передачи.

Примечание. В семействе асинхронного интерфейса UART наиболее известен стандарт физического уровня RS-232, применяемый COM-портом компьютера.

СОМ порт не имеет сигналов синхронизации, временные интервалы формируются как передатчиком так и приемником с точностью тактирования не хуже 5%.

Рисунок 2. Временная диаграмма UART последовательной передачи данных (01001011) микросхемы ATmega328P контроллера Arduino UNO.

Контроллер Arduino UNO содержит специализированный контроллер для преобразования UART сигналов в USB последовательность и наоборот. Порт USB компьютера осуществляющий связь с виртуальным СОМ портом работает в режиме Full-speed на частоте 12 Мбит/с (Рисунок 3). Этот режим поддерживает как USB 1.0. так и USB 2.0.

Рисунок 3. Измеренный 4В сигнал на дифференциальной линии USB–COM контроллера Arduino. Длина USB кабеля 2м. Частота сигналов на USB линии 12 МГц. Для формирования сигналов использовалась запись данных в СОМ порт контроллера. Частота USB данных 12 МГц не изменялась при записи в СОМ порт как на скорости 9600 бит/c так и 115200 бит/c.

Данные по шине USB передаются пакетами (Рисунок 4). Размеры пакета зависят от типа выполняемой передачи. Каждый пакет в режиме Full-speed содержит 8 бит синхронизации тактов приемника и передатчика (Sync), 8 бит идентификатора пакета (PID) и 2 бита конца пакета (EOP). Блок данных может составлять от 0 до 1023 байт.

Рисунок 4. Пример передачи пакета по дифференциальной линии USB 1.1 в режиме Full-speed [2]. Изменение состояние дифференциального сигнала соответствует передаче нуля, сохранение уровней — соответствует передаче единицы. Для улучшения синхронизации на единичных последовательностях принудительно вставляют нуль на каждые 6 единиц подряд.

Кроме пакета данных передаются и другие пакеты. Для выполнения всех передач по USB требуется, чтобы 2 или 3 пакета информации были переданы между хост-контроллером и приемником. Если передача оказалась успешной, пункт назначения возвращает пакет квитирования. При обнаружении ошибки во время передачи генерируется пакет отсутствия уведомления.

Дифференциальные сигналы USB передаются по витой паре экранированного 4-проводного кабеля. По стандарту, сечение сигнальных проводников высокоскоростного кабеля USB 2.0 должно быть 28 AWG и от 20 до 28 AWG для жил питания, в зависимости от длины кабеля (см. Таблица 1).

Таблица 1. Примерное соответствие длины и диаметра проводов USB2 кабеля.
Размер провода [3]

Для увеличения длины USB кабеля его снабжают встроенными усилителями сигнала.
По требованию спецификации USB 2.0 для режима High-speed (до 480 Мбит/с) задержка распространения сигнала в кабеле не должна превышать 5,2 нс/м и быть не более 26 нс, что и определяет максимальную длину кабеля 5 м.

Задержка на метр длины в коаксиальном кабеле обратно пропорциональна скорости распространения волны в м/c, которая вычисляется как

,
где с – скорость света 3*10^8 м/с; е — диэлектрическая проницаемость материала внутреннего изолятора; u — магнитная проницаемость изолятора. Для полиэтилена с u= 1 и е= 2,2 фазовая скорость равна 2*10^8 м/с и, соответственно, задержка 5 нс/м.

Для уменьшения потерь сигнала важно обеспечить однородность волнового сопротивления (в.с.) сигнальной линии. Изменение в.с. может быть связано с некачественной заделкой кабеля, плохим согласованием элементов линии, низким качеством разъёма и др.

Волновое сопротивление кабеля определяется его конструкцией. В.с. коаксиального кабеля в области высоких частот (30 кГц и выше) вычисляется по следующей формуле.

где L – продольная индуктивность закороченного кабеля, Гн; C – поперечная ёмкость разомкнутого кабеля, Ф; e — диэлектрическая проницаемость изолятора; D — диаметр изолятора; d – диаметр проводника. Величина в.с. не зависит от длины кабеля.
Диэлектрическая проницаемость изоляторов лежит в диапазоне 1… 7: 1 – воздух, вакуум; 1.3… 2.4 – полиэтилен; 2.5..6 — резина; 5..7 – фарфор; 6..7 – слюда; 7 — стекло.
Величина в.с. витой пары USB 2.0.кабеля составляет 90 ± 15% Ом [5]. Расчет в.с. экранированной витой пары должен учитывать и взаимное расположение проводников.

В согласованном кабеле у которого нагрузка по концам, имеет сопротивление, равное в.с., вся передаваемая электромагнитная энергия полностью поглощается приемником без отражения. В неоднородных линиях и при несогласованных нагрузках в местах электрической несогласованности возникают отраженные волны и часть энергии возвращается к началу линии.
Коэффициент отражения волн в кабеле равен отношению

,
где rH — сопротивление нагрузки; Z – в.с. кабеля.

Включении несогласованных элементов в USB линию может значительно исказить сигнал. Например, линия оказывается неработоспособной при включение в неё эектровводов из силового кабеля с волновым сопротивлением 10… 40 Ом.

Структура канала USB – RS-232 – плата Arduino UNO

Для обеспечения устойчивой связи удаленного СОМ устройства с компьютером через USB порт длина USB канала сведена к минимуму, на выходе USB линии поставлен USB – RS-232 преобразователь, который через длинную линию подключен к преобразователю уровней +15/-15В == 0/5В, находящегося вблизи контроллера Arduino и подключенного к его UART порту, как показано на Рисунок 5. Скорость обмена данными в этой структуре такая же как и при подключении Arduino к компьютеру через USB кабель, но частота сигнала в протяженной линии почти в 100 раз ниже — как 0,115200 Мбит/с и 12 Мбит/с.

Рисунок 5. Схема подключения контроллера Arduino UNO к компьютеру через USB порт и длинные несогласованные линии. Обозначение контактов GND, передатчика Tx и приемника Rx на стандартном разъеме DB-9 СОМ порта компьютера показано вверху слева. Со стороны устройства сигналы TxD и RxD на разъема DB-9 надо поменять местами.

Интерфейс RS-232 имеет следующие характеристики [7,8].
Способ передачи сигнала Однофазный
Максимальное количество приемников 1
Максимальная скорость передачи 460 кбит/c
Максимальная длина кабеля 15 м (для 460 кбит/c)
Синфазное напряжение на выходе ± 25В
Импеданс нагрузки 3 ..7 кОм
Допустимый диапазон сигналов на входе приемника ± 25В
Чувствительность приёмника ± 3В
Входное сопротивление приёмника 3 ..7 кОм
Ёмкость нагрузки не более 2500 пкФ*
______________________
* При использовании кабеля с малой емкостью связь может поддерживаться на расстояниях до 300 м [1].

Преобразователь RS232 уровней (Рисунок 5) не меняет последовательность бит. Он изменяет уровни сигнала 0/5 В в +12/-12 В и наоборот (Рисунок 6).

Рисунок 6. Временная диаграмма и уровни сигналов преобразователя RS232.

Для преобразования уровней сигналов RS232 могут использоваться микросхемы, например, MAX232 (компании Maxim Integrated Products), SP232 (Sipex), ADM232 (Analog Devices). Эти микросхемы имеют одинаковые характеристики и назначения выводов. Подключение преобразователя MAX232 показано на Рисунок 7 [6].

Рисунок 7. Схема подключения преобразователя уровней MAX232. Схема обеспечивает уровень выходного напряжения приблизительно ± 7.5 В соответствующий интерфейсу RS-232.

Рынок предлагает множество модулей преобразователей уровней построенных на базе перечисленных и других микросхем. Внешний вид одного из таких модулей показан на (Рисунок 5).

К компьютеру устройство можно подключить через стандартный COM порт, если он есть, или использовать преобразователь USB-RS232 (другие названия: USB-COM конвертеры, переходники или адаптеры), связанный с USB портом напрямую или через собственный USB кабель. Внешний вид USB преобразователей показан на Рисунок 5.

Вариант реализации макета линии COM устройство – USB порт компьютера без RS-232 линии показан на Рисунок 8.

Рисунок 8. Вариант подключения контроллера Arduino UNO к преобразователю USB-COM компьютера.

Для проверки работоспособности канала обмена данными между контроллером Arduino UNO и компьютером через длинную несогласованную линию был собран провод показанный на Рисунок 9 и Рисунок 10. Куски провода соединялись скруткой или удерживались в гнездах разъемов на трении.

Рисунок 9. Канал RS232 из составного кабеля 9,5 м.

Рисунок 10. Куски провода канала RS232 из составного кабеля 9,5 м.

Передача и прием данных через СОМ порт контроллера Arduino UNO контролировалась утилитой компьютера COM Port Toolkit.

Используемая для тестирования линии программа Arduino UNO, передающая в СОМ порт байты данных и переключающая светодиод контроллера по приходу внешних команд, показана ниже.

Осциллограммы сигналов, снятые на концах состоящей из кусков линии RS-232 показаны на Рисунке 11. Данные передаются на частоте 115200 бит/с.

Рисунок 11. Сигнал амплитудой +7.5/-8 В на концах RS-232 линии составного кабеля длиной 9,5 м. Частота передачи данных 115200 бит/с. Сигнал не имеет заметных искажений.

Прошивка контроллера Arduino UNO

Загрузка программ в контроллер Arduino выполняется при помощи его внутреннего загрузчика, который запускается сразу после включения питания контроллера, или после нажатия на кнопку reset платы, или когда компьютер через линию USB выдаёт сигнал сброса.

При подключении платы Arduino через канал RS-232 с двумя сигнальными линиями Tx и Rx при отсутствии линии сигнала сброса загрузка выполнялась в следующем порядке.

1. Запускалась среда разработки Arduino (как и в режиме загрузки через USB).

2. Загружалась программа (как и в режиме загрузки через USB).
3. Прошивка программы запускалась командой Ctrl+U или через кнопку (как и в режиме загрузки через USB)
4. Дополнительно, после запуска прошивки и заполнения прогресс индикатора нажималась кнопка Reset на плате контроллера Arduino приблизительно на 0,5 секунды.

Успешная прошивка завершается сообщением

.

Прошивка выполнялась успешно и при кратковременном отключении питания контроллера, вместо нажатия на кнопку Reset.

Запуск загрузчика контроллера Arduino можно выполнять и в автоматическом режиме от компьютера, без нажатия на кнопку Reset или кратковременного отключения питания. Для этого необходимо, например, канал RS-232 с Tx, Rx, и GND дополнить линией RTS и подключить ее через преобразователь уровней ко входу RESET контроллера Arduino.